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1、项目四 位置检测,2019/10/3,2,接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号。常用作位置检测。,接近开关的核心部分是“感辨头”，它对正在接近的物体有很高的感辨能力。,任务一 认识接近开关,2019/10/3,3,一、常用的接近开关分类,常用的接近开关有电涡流式（俗称电感接近开关，以下仅以电感接近开关称呼之）、电容式、磁性干簧开关、霍尔式、光电式、微波式 、超声波式等。,2019/10/3,4,二、接近开关的特点,接近开关与被测物不接触、不会产生机械磨损和疲劳损伤、工作寿命长、响应快、无触点、无火
2、花、无噪声、防潮、防尘、防爆性能较好、输出信号负载能力强、体积小、安装、调整方便。 缺点是触点容量较小、输出短路时易烧毁。,2019/10/3,5,三、接近开关的主要性能指标,额定动作距离、工作距离、动作滞差、重复定位精度（重复性）、动作频率、响应时间等。,2019/10/3,6,1.动作（检测）距离: 动作距离是指检测体按一定方式移动时，从基准位置（接近开关的感应表面）到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离是指接近开关动作距离的标称值。 2.设定距离：指接近开关在实际工作中的整定距离，一般为额定动作距离的0.8倍。被测物与接近开关之间的安装距离一般等于额定动作距离，以保证
3、工作可靠。安装后还须通过调试，然后紧固。 3.复位距离：接近开关动作后，又再次复位时的与被测物的距离，它略大于动作距离。 4.回差值: 动作距离与复位距离之间的绝对值。回差值越大，对外界的干扰以及被测物的抖动等的抗干扰能力就越强。,2019/10/3,7,接近开关的检测距离与回差,2019/10/3,8,响应频率f ：按规定，在1秒的时间间隔内， 接近开关动作循环的最大次数，重复频率大于该值时，接近开关无反应。 响应时间t ：接近开关检测到物体时刻到接近开关出现电平状态翻转的时间之差。 可用公式换算： t=1/ f,2019/10/3,9,响应频率及响应时间示意图,2019/10/3,10,输
4、出状态：常开/常闭型接近开关 当无检测物体时，对常开型接近开关而言，由于接近开关内部的输出三极管截止，所接的负载不工作（失电）；当检测到物体时，内部的输出级三极管导通，负载得电工作。 对常闭型接近开关而言，当未检测到物体时，三极管反而处于导通状态，负载得电工作；反之则负载失电。,2019/10/3,11,常用的输出形式有： NPN二线， NPN三线， NPN四线， PNP二线， PNP三线， PNP四线， DC二线，AC二线， AC五线（带继电器） 等几种，读者可查阅以下有关资料。,2019/10/3,12,输出形式（14）,负载,负载,2019/10/3,13,输出形式（58）,负载,负载,
5、负载,2019/10/3,14,导通压降：接近开关在导通状态时，开关内部的输出三极管集电极与发射极之间的电压降。一般情况下，导通压降约为0.3V。,2019/10/3,15,【任务导入】,在机械加工自动生产线上，常常使用接近开关进行工件的加工定位。,任务一 电感式接近开关,2019/10/3,16,当传送机构将待加工的金属工件运送到靠近减速接近开关的位置时，该接近开关发出减速信号，传送机构减速，以提高定位精度。当金属工件到达定位接近开关面前时，定位接近开关发出“动作“信号，使传送机构停止运行。紧接着，加工刀具对工件进行机械加工。 在以上应用中，我们可以使用电感接近开关来进行工件的定位与计数，那
6、么电感接近开关工作原理是什么？其结构、特点如何？这就是我们本课题的任务目标。,2019/10/3,17,【相关知识】,2019/10/3,18,一、电涡流接近开关的工作原理,电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成。,2019/10/3,19,当检测线圈通以交流电时，在检测线圈的周围产生一个交变的磁场，当金属物体接近检测线圈时，金属物体内部就会产生涡流，而这个涡流反作用于检测线圈使其电感L发生变化，从而使振荡电路的振荡频率减小，以至停振。振荡和停振这两种状态经检测电路转换为开关信号输出。,2019/10/3,20,二、电感式
7、接近开关特性,电感线圈的阻抗变化与金属导体的电导率、磁导率等有关。对于非磁性材料，被测体的电导率越高，则灵敏度越高；被测体是磁性材料时，其磁导率将影响电涡流线圈的感抗。磁滞损耗较大时，其灵敏度通常较高。,2019/10/3,21,三、电感式接近开关的安装方式,电感接近开关的安装方式分齐平式和非齐平式。,2019/10/3,22,齐平式（又称埋入型）的接近开关表面可与被安装的金属物件形成同一表面，不易被碰坏，但灵敏度较低； 非齐平式（非埋入安装型）的接近开关则需要把感应头露出一定高度，否则将降低灵敏度。,【任务实施】,工件经过减速接近开关，传送带减速，经过定位接近开关时，传送带停止，进行加工。还
8、可将减速接近开关的信号接到计数器输入端，当金属工件从接近开关面前经过时，接近开关动作一次，输出一个计数脉冲，计数器加1。,2019/10/3,23,1一加工机床 2一刀具 3一工件(导电体) 4一加工位置 5一减速接近开关 6一定位接近开关 7一传送机构 8一计数器,2019/10/3,24,【任务导入】,汽车用速度及里程仪表中速度传感器是十分重要的部件。在汽车行驶过程中，控制器不断接收来自车速传感器的脉冲信号并进行处理，得到车辆瞬时速度并累计行驶路程。,任务三 霍尔式接近开关,2019/10/3,25,在这个系统中，常用霍尔式接近开关传感器作为车轮转速传感器，是汽车行驶过程中的实时速度采集器
9、。 霍尔式接近开关的工作原理是什么？其结构、特点如何？这就是我们本课题的任务目标。,2019/10/3,26, 知识点 了解霍尔式接近开关的工作原理 了解霍尔式接近开关的性能特点及其适用场合 技能点 掌握霍尔式接近开关开关的使用、测量方法,2019/10/3,27,一、霍尔式接近开关工作原理,霍尔式接近开关是利用霍尔效应制成的，必须在磁场中工作。,霍尔元件,霍尔接近开关,2019/10/3,28,金属或半导体薄片两端通以控制电流I ，在与薄片方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么在垂直于电流和磁场方向的薄片的另两侧会产生电动势UH , UH的大小正比于控制电流 I和磁感应强度 B,这一现象称为霍
10、尔效应，利用霍尔效应制成的传感元件称霍尔传感器。,其中一磁场方向与元件平面所成的角度,2019/10/3,29,当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出电势的方向也将改变，若电流和磁场同时改变方向时，霍尔电势方向不变。,霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。利用集成封装和组装工艺，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。,2019/10/3,30,二、霍尔器件的特性参数,1.输入电阻Ri 霍尔元件输入激励电流端得直流电阻称为输入电阻。它的数值从几十欧到几百欧。温度升高，输入电阻变小，从而使输入电流变大，最终引起霍尔电势的变
11、化。为了减少这种影响，最好采用恒流源供电。 2.输出电阻Ro 两个霍尔电动势 输出端之间的电阻称为输出电阻。它的数值与输入电阻同一数量级。 3.最大激励电流Im 由于霍尔电动势随激励电流增大而增大，所以在应用中希望选用较大的激励电流。但激励电流越大，霍尔元件的功耗增大，元件温度上升，引起温度误差。,2019/10/3,31,4.灵敏度KH 霍尔元件的灵敏度KH =EH/(IB)，它的单位是mV/(mAT）。 5.最大磁感应强度BH 磁感应强度超过BH时，霍尔电动势的非线性误差将明显增大。 BH的数值一般小于零点几特斯拉（1T=104Gs）。 6.不等位电势 在额定激励电流下，当外加磁场为零时，
12、霍尔输出端的电压输出不为零，此时的输出电压称为不等位电势。一般可通过电路来补偿不等位电势。 7.霍尔电动势温度系数 霍尔电动势的输出会随温度变化而变化，它与霍尔元件的材料有关，一般约为0.1%/。,2019/10/3,32,三、霍尔式接近开关与外电路的接口,霍尔开关电路的输出级一般是一个集电极开路的NPN晶体管，其使用规则和任何一种相似的NPN开关管相同。因此必须外接一个电阻器来限制流过管子的电流，使它不超过最大允许值（一般为20mA），以免损坏输出管。,2019/10/3,33,以发光二极管的接口为例：对负载电阻器的选择作一计算。发光二极管的正向压降VLED=1.4V，当电源电压VCC=12
13、V时，所需的负载电阻器的阻值,和这个阻值最接近的标准电阻为560，因此，可取560的电阻器作为负载电阻器。,2019/10/3,34,霍尔式接近开关 的内部原理图,四、霍尔式集成电路,霍尔式集成电路,集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器与分立相比，减少了焊点，显著地提高了可靠性。集成霍尔传感器可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器。,霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度（如BH）时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。输出
14、端一般采用晶体管输出。,2019/10/3,35,霍尔式接近开关 输入/输出的转移特性,2019/10/3,36,五、 霍尔式接近开关的安装方式,为保证霍尔器件，尤其是霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度。在计算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起。工作磁体和霍尔器件间的运动方式有： (a)对移；(b)侧移；(c)旋转；(d)遮断,2019/10/3,37,六、霍尔式接近开关使用注意事项,过高的电压会引起内部霍尔元器件温升而变的不稳定，而过低的电压容易让外界的温度变化影响磁场强度特性，从而引起电路误动作。 当使用霍尔开关驱动感性负载时，请在负载两端并入续流二极管，否则会因感
15、性负载长期动作时的瞬态高压脉冲影响霍尔开关的使用寿命。 采用不同的磁性磁铁，检测距离有所不同，建议采用磁铁直径和产品检测直径相等。 为了避免意外性发生，请用户在接通电源前检查接线是否正确，核定电压是否为额定值。,2019/10/3,38,汽车用霍尔转速计是在霍尔式接近开关线性电路背面偏置一个永磁体。可以检测铁磁物体的缺口进行计数，也可以检测齿轮的齿计数。霍尔元件的输出通过检测电路可以测出齿轮的转速。,用霍尔线性电路检测铁磁物体,用霍尔线性电路检测齿口的线路,【任务实施】,2019/10/3,39,2019/10/3,40,任务四 光电式接近开关,【任务导入】,利用光电开关可以制成产品计数器，广
16、泛应用于自动化生产线的产品计数。具有非接触、安全可靠的特点。 光电式接近开关的工作原理是什么？其结构、特点如何？这就是我们本课题的任务目标 。,2019/10/3,41, 知识点 了解光电式接近开关的工作原理 了解光电式接近开关的性能特点及其适用场合 技能点 掌握光电式接近开关开关的使用、测量方法,2019/10/3,42,一、光电接近开关的工作原理,光电式接近开是把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的它可以在许多场合得到应用。,2019/10/3,43,2019/10/3,44,光电开关又称为无接触检测和控制开关。它是利用物质对光束的遮蔽、吸收或反射等作用，对物体的位置、形状、标志、符号等进行检测。 光电开关是一种新兴的控制开关。在光电开关中最重要的是光电器件，是把光照强弱的变化转换为电信号的传感元件。光电器件主要有光敏二极管、光敏电阻、光电晶体管、光电藕合器等，它们构成了光电开关的传感系统。,2019/10/3,45,光电式接近开关所检测物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被
